Un equipo de científicos del Allen Institute for Brain Science está poniendo a disposición del público un atlas de nivel celular 3D construido manualmente del cerebro completo del ratón. Derivada de imágenes tomográficas seriadas de dos fotones de los cerebros de 1.657 ratones, esta tercera iteración del Marco de Coordenadas Comunes del Cerebro de Ratón de Allen, o CCFv3, es el resultado de tres años de recopilación y dibujo intensivo de datos.
«Esperamos que la comunidad de neurociencias en general lo use como un nuevo atlas de referencia estándar», dijo Lydia Ng, PhD, directora sénior de tecnología en el Allen Institute for Brain Science y una de las autoras sénior del trabajo del atlas, que se publica en Cell. «Al hacer que nuestro atlas y las herramientas relacionadas sean de acceso abierto, los nuevos datos y tipos de datos generados en nuestra comunidad se pueden integrar y comparar más fácilmente en el mismo contexto espacial, y el atlas, a su vez, se puede modificar a medida que evoluciona nuestro conocimiento sobre la estructura cerebral.»
Se agregó la coautora principal, Julie Harris, PhD, directora asociada de neuroanatomía en el Allen Institute for Brain Science, «Los atlas de referencia son herramientas verdaderamente polivalentes que se utilizan para enseñar neuroanatomía, proporcionar una nomenclatura común para identificar regiones cerebrales, respaldar análisis para describir dónde se recopilaron los datos y representar nuestro conocimiento colectivo actual sobre la organización de la estructura cerebral.»Los investigadores informaron sobre el mapa CCFv3 en un informe titulado» The Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework: A 3D Reference Atlas».»
Este video representa una fusión de datos en el marco CCF La imagen de fondo en escala de grises representa la anatomía promedio de 1.675 especímenes individuales que forman la base del sistema de coordenadas común. Las líneas curvas de colores representaban las líneas de flujo muestreadas. La corteza de ratón es una hoja 3D organizada en capas donde la conexión entre las capas es típicamente perpendicular a la superficie, lo que sugiere una hipotética organización columnar. La curvatura de la corteza hace que sea difícil de visualizar a lo largo de esta dimensión teórica. Estas líneas de corriente son una estimación de estas «verticales» basadas en la geometría curva. Para ver si las líneas de corriente reflejan la curvatura real, las comparamos con datos reales. La imagen coloreada de metal caliente es un compuesto de múltiples conjuntos de datos para visualizar la forma de dendrita de mechón grueso de neuronas piramidales L5 que fueron etiquetadas selectivamente con inyección de trazador viral dependiente de Cre en la línea del controlador Sim1-Cre_KJ18 o A930038C07Rik-Tg1-Cre. Cada conjunto de datos se registró en el CCF para permitir la superposición de datos de ~100 especímenes.
El cerebro del ratón contiene aproximadamente 100 millones de células en cientos de regiones diferentes. El conocimiento de la neuroanatomía cerebral de ratón ha avanzado drásticamente en la última década, con el advenimiento de proyectos de mapeo de cerebro completo que agregan nuevos tipos de datos y revelan la arquitectura celular con nuevos y ricos detalles.
Las colaboraciones internacionales a gran escala están generando encuestas importantes de tipos y conexiones celulares en el cerebro del ratón, recopilando grandes cantidades de datos a través de modalidades, escalas espaciales y áreas cerebrales, explicaron los autores. Y a medida que los conjuntos de datos de neurociencia se hacen más grandes y complejos, un mapa espacial común del cerebro se vuelve más crítico, al igual que la capacidad de registrar con precisión muchos tipos diferentes de datos en un espacio 3D común para comparar y correlacionar.
«Las recientes colaboraciones internacionales a gran escala están generando encuestas importantes de tipos y conexiones celulares en el cerebro de ratón, recopilando grandes cantidades de datos a través de modalidades, escalas espaciales y áreas cerebrales», comentó el equipo. «La integración exitosa de estos datos requiere un atlas de referencia 3D estándar.»Esto significa que los atlas de referencia digitales modernos deben evolucionar para mantenerse actualizados, comentó Harris. «Sin embargo, los atlas estándar clásicos no satisfacen las demandas de estos conjuntos de datos de resolución celular en 3D. Por lo tanto, producimos un atlas verdaderamente 3D para servir como un marco anatómico estándar para los conjuntos de datos de todo el cerebro que se están produciendo.»
El CCFv3 de cerebro completo se basa en una versión parcial lanzada en 2016 que mapeó toda la corteza de ratón, la capa más externa del cerebro. Las versiones anteriores del atlas eran mapas 3D de menor resolución, mientras que la resolución del CCFv3 es lo suficientemente buena como para poder identificar la ubicación de las celdas individuales. La alineación de diferentes tipos de conjuntos de datos en CCFv3 permitió a los investigadores etiquetar más de 800 estructuras cerebrales. Al hacerlo, identificaron varias estructuras cerebrales que no se habían descrito previamente en los atlas cerebrales estándar de ratones, y varios nuevos tractos de fibra nerviosa que no se habían descrito en otros atlas.
» El CCFv3 está parcelado en 43 áreas isocorticales y sus capas, 329 estructuras subcorticales de materia gris, 81 tractos de fibra y 8 estructuras ventriculares (por hemisferio)», explicaron los científicos. «Dado que cada conjunto de datos revela un patrón de etiquetado único para ciertas regiones del cerebro del ratón, la combinación de todos estos tipos de datos debe complementarse o confirmarse entre sí, demostrando una tremenda ventaja metodológica para definir con precisión las estructuras cerebrales», señaló Ng.
Los autores dicen que CCFv3 tiene una resolución espacial más alta que cualquier espacio de referencia de cerebro de ratón 3D actualmente existente basado en imágenes de resonancia magnética. Debido a que CCFv3 es un promedio de una gran población de ratones, se puede usar para estudiar la variabilidad interindividual en los volúmenes de estructuras cerebrales 3D en el contexto de diferentes estados de enfermedad. Además, muchos detalles anatómicos eran evidentes en el cerebro promedio que no eran fácilmente discernibles en ningún cerebro de ratón.
Se puede considerar como el equivalente en neurociencia del GPS de un teléfono, sugiere el Instituto Allen. En lugar de buscar manualmente tu ubicación en un mapa de papel basado en lo que ves a tu alrededor, el GPS (y el nuevo atlas cerebral) te indican dónde estás. Con conjuntos de datos en miles o millones de piezas de información diferentes, ese conjunto común de coordenadas, y la localización de los puntos de referencia cerebrales correspondientes para esas coordenadas, es crucial.
» En los viejos tiempos, las personas definían diferentes regiones del cerebro a través de los ojos. A medida que obtenemos más y más datos, esa curación manual ya no se escala», dijo Ng. «Así como tenemos una secuencia genómica de referencia, se necesita una anatomía de referencia.»
Históricamente, los atlas cerebrales se dibujaban en 2D, tomando vistas en forma de hoja del cerebro a diferentes profundidades y alineándolas. Para algunos tipos de datos, esta forma de mapeo cerebral funciona bien. Pero para los estudios de neurociencia modernos que analizan la actividad neuronal o las características de las células en todo el cerebro, un atlas 3D proporciona un mejor contexto. Para hacer el atlas, los investigadores dividieron el cerebro en pequeños bloques virtuales en 3D, conocidos como vóxeles, y asignaron a cada bloque una coordenada única. Los datos que alimentaron esa construcción 3D vinieron de la anatomía cerebral promedio de 1.675 animales diferentes. El equipo luego asignó cada uno de esos voxels a una de las cientos de regiones diferentes conocidas del cerebro del ratón, dibujando bordes cuidadosos entre áreas distintas.
Los conjuntos de datos que alimentaron estos dos aspectos del atlas provienen de varios tipos diferentes de experimentos realizados en el Instituto Allen en los últimos años. «Para ayudar con las delineaciones de áreas precisas, compilamos y curamos conjuntos de datos de referencia multimodales registrados deformablemente en el cerebro de plantilla promedio», explicaron los autores. «Los datos de referencia incluyeron tinciones histológicas, inmunohistoquímica, expresión de transgénicos, hibridación in situ (ISH) y experimentos de conectividad de trazadores anterógrados.»Esta columna vertebral de diferentes tipos de datos hace que el atlas sea único entre los atlas cerebrales de referencia, dijeron los investigadores.
«Ahora estamos utilizando este atlas como el espacio de referencia anatómica común para muchos proyectos a gran escala, que incluyen el mapeo de circuitos cerebrales completos, reconstrucciones unicelulares y la generación de un censo exhaustivo del tipo de células cerebrales», declaró Harris. «Todos estos datos, y lo que aprendemos sobre la arquitectura del cerebro a su vez, en algún momento necesitarán un atlas 3D actualizado de próxima generación, aunque es probable que se construya con métodos diferentes, más automatizados y basados en datos.»
Por lo tanto, es probable que las futuras iteraciones del atlas se basen en el aprendizaje automático u otras formas de automatización, en lugar de en la laboriosa conservación manual de la versión actual. «Como sabemos ahora, los atlas deberían ser recursos vivos y en evolución, porque a medida que aprendamos más sobre cómo se organiza el cerebro, necesitaremos hacer actualizaciones», dijo Harris. «Construir atlas de forma automática e imparcial es donde probablemente se mueva el campo.»
El Allen CCF es de acceso abierto y disponible con herramientas relacionadas en https://portal.brain-map.org/